Le celle solari di nuova generazione che imitano la fotosintesi con materiale biologico potrebbero dare un nuovo significato al termine "tecnologia verde". L'aggiunta della proteina batteriorodopsina (bR) alle celle solari in perovskite ha aumentato l'efficienza dei dispositivi in ​​una serie di test di laboratorio, secondo un team internazionale di ricercatori.

"Questi risultati aprono la porta allo sviluppo di un sistema più economico, tecnologia delle celle solari bioperovskite più rispettosa dell'ambiente, " disse Shashank Priya, vicepresidente associato per la ricerca e professore di scienza dei materiali alla Penn State. "Nel futuro, possiamo essenzialmente sostituire alcuni prodotti chimici costosi all'interno delle celle solari con materiali naturali relativamente più economici".

celle solari perovskite, chiamati per le loro strutture cristalline uniche che eccellono nell'assorbire la luce visibile, sono un'area di intensa ricerca perché offrono un'alternativa più efficiente e meno costosa alla tradizionale tecnologia solare a base di silicio.

Le celle solari perovskite più efficienti possono convertire il 22-23% della luce solare in elettricità. I ricercatori hanno scoperto che l'aggiunta della proteina bR alle celle solari in perovskite ha migliorato l'efficienza dei dispositivi dal 14,5 al 17%. Hanno riportato le loro scoperte sulla rivista dell'American Chemical Society Materiali e interfacce applicati ACS .

La ricerca rappresenta la prima volta che gli scienziati hanno dimostrato che i materiali biologici aggiunti alle celle solari in perovskite possono fornire un'elevata efficienza. La ricerca futura potrebbe portare a materiali bioperovskite ancora più efficienti, hanno detto i ricercatori.

"Studi precedenti hanno raggiunto l'8 o il 9% di efficienza mescolando determinate proteine ​​all'interno delle strutture delle celle solari, " disse Priya, un co-autore principale dello studio. "Ma nulla si è avvicinato al 17 percento. Questi risultati sono molto significativi".

Gli array solari commerciali sono costituiti da centinaia o migliaia di singole celle solari, quindi anche piccoli miglioramenti di efficienza possono portare a risparmi reali, secondo i ricercatori.

Imitando la natura

Attingendo alla natura, i ricercatori hanno cercato di migliorare ulteriormente le prestazioni delle celle solari in perovskite attraverso il Förster Resonance Energy Transfer (FRET), un meccanismo per il trasferimento di energia tra una coppia di molecole fotosensibili.

"Il meccanismo FRET esiste da molto tempo, " disse Renugopalakrishnan Venkatesan, professore alla Northeastern University e al Boston Children's Hospital, Università di Harvard, e co-autore principale dello studio. "Sembra essere la base della fotosintesi e può essere trovata in tecnologie come il trasferimento wireless di energia, e anche nel mondo animale come meccanismo di comunicazione. Stiamo usando questo meccanismo per cercare di creare un mondo di sistemi bio-ispirati che hanno il potenziale per superare le molecole inorganiche o organiche".

Le proteine ​​bR e i materiali perovskite hanno proprietà elettriche simili, o lacune di banda. Allineando queste lacune, gli scienziati hanno ipotizzato di poter ottenere prestazioni migliori nelle celle solari in perovskite attraverso il meccanismo FRET.

"Le celle solari funzionano assorbendo energia luminosa, o molecole di fotoni e creando coppie elettrone-lacuna, " disse Subhabrata Das, che ha partecipato alla ricerca mentre era studente di dottorato alla Columbia University. "Inviando gli elettroni e le lacune in direzioni opposte, le celle solari generano una corrente elettrica che viene trasformata in elettricità".

Però, una certa percentuale di coppie elettrone-lacuna si ricombina, riducendo la quantità di corrente prodotta. La miscelazione della proteina bR nelle celle solari perovskite ha aiutato le coppie elettrone-lacuna a muoversi meglio attraverso i dispositivi, riducendo le perdite di ricombinazione e aumentando l'efficienza, hanno detto gli scienziati.

I risultati potrebbero potenzialmente avere conseguenze maggiori, portando alla progettazione di altri dispositivi ibridi in cui materiali artificiali e biologici lavorano insieme, secondo i ricercatori.